高強(qiáng)變形鋁合金觸變成形及缺陷控制研究.pdf

1、變形鋁合金在航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。目前變形鋁合金主要采用鍛造技術(shù)進(jìn)行加工,加工成本高、效率低,且由于機(jī)械加工量過(guò)大資源浪費(fèi)嚴(yán)重。基于現(xiàn)代工業(yè)對(duì)近凈成形和高力學(xué)性能產(chǎn)品的雙重需求,迫切需要一種能同時(shí)發(fā)揮出合金的性能優(yōu)勢(shì)和成形效率優(yōu)勢(shì)的新型加工技術(shù)。半固態(tài)金屬加工技術(shù)(Semi-SolidMetalProcessing,SSP)是一種新型的近凈成形技術(shù),為高強(qiáng)變形鋁合金的應(yīng)用和發(fā)展開(kāi)辟了新的途徑。觸變成形是半固態(tài)加工技術(shù)的一種,該技術(shù)

2、利用了半固態(tài)金屬的觸變特性,比較適合于變形鋁合金等高性能合金。但變形鋁合金的觸變成形存在很多技術(shù)困難,如成形裂紋傾向大,半固態(tài)加工溫度區(qū)間小等。此外7系高強(qiáng)鋁合金發(fā)生再結(jié)晶較為困難,采用常規(guī)的固相法難以制備球晶化良好的半固態(tài)坯料。本文基于變形鋁合金觸變成形的可控難點(diǎn),提出了針對(duì)性的研究思路:半固態(tài)坯料制備→半固態(tài)拉伸力學(xué)與斷裂行為研究→觸變成形缺陷分析→成形缺陷控制,對(duì)7075、2024和2A50等高強(qiáng)變形鋁合金觸變成形及缺陷產(chǎn)生機(jī)理和

3、控制方法開(kāi)展了創(chuàng)新性的系統(tǒng)研究。
　　本文將分級(jí)熱處理工藝引入到再結(jié)晶重熔法(Recrystallizationandpartialremelting,RAP)中,研究了常規(guī)RAP法和分級(jí)熱處理RAP法制備7075鋁合金半固態(tài)坯料的球晶組織形成機(jī)制和組織演變規(guī)律。研究表明:7075鋁合金在過(guò)高溫加熱過(guò)程中發(fā)生了充分的再結(jié)晶;半固態(tài)晶粒尺寸隨著過(guò)高溫保溫時(shí)間和半固態(tài)重熔時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,但前者的影響更為明顯。在665℃保溫5min后

4、,再于620℃保溫5min的條件下,擠壓態(tài)7075鋁合金的微觀組織由均勻細(xì)小的球狀晶粒組成,晶粒尺寸約為45μm,遠(yuǎn)優(yōu)于采用常規(guī)RAP法(620℃保溫40min)所制備的半固態(tài)坯料(晶粒尺寸約為120μm)。
　　利用Gleeble1500D熱力模擬機(jī)進(jìn)行了7075鋁合金從高溫固態(tài)到半固態(tài)溫度(400℃~580℃)的拉伸試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)7075鋁合金的拉伸力學(xué)及斷裂行為可分為三個(gè)階段:固相決定階段、固液共同影響階段和液相決定階段;斷

5、裂方式從延性斷裂→脆性斷裂→液相導(dǎo)致斷裂轉(zhuǎn)變;半固態(tài)溫度下為延晶斷裂。7075鋁合金在半固態(tài)溫度存在一定的脆性溫度區(qū)間,在此溫度區(qū)間內(nèi),合金仍能承受一定的拉應(yīng)力,但幾乎不能承受拉應(yīng)變,因此表現(xiàn)出較高的裂紋傾向。
　　分別通過(guò)對(duì)2A50和2024鋁合金典型零件的直接和間接觸變成形研究,分析了成形力學(xué)條件對(duì)制件微觀組織和力學(xué)性能的影響,以及觸變成形裂紋和縮孔等缺陷的產(chǎn)生機(jī)理和控制措施。結(jié)果表明:裂紋和縮孔等缺陷的影響因素包括成形過(guò)程中

6、半固態(tài)坯料的拉伸變形、凝固收縮導(dǎo)致的拉應(yīng)力以及模具結(jié)構(gòu)限制等;微觀縮孔附近的晶粒之間結(jié)合強(qiáng)度較低,因此容易成為微裂紋的擴(kuò)展源;使半固態(tài)坯料在觸變成形末期處于三向壓應(yīng)力狀態(tài),可以獲得組織性能均勻且無(wú)缺陷的觸變成形件。本研究提出將復(fù)合加載-局部補(bǔ)縮技術(shù)應(yīng)用于鋁合金半固態(tài)觸變成形,保證半固態(tài)坯料在觸變成形過(guò)程中處于三向壓應(yīng)力狀態(tài),抑制成形缺陷的產(chǎn)生,實(shí)現(xiàn)成形件組織和性能均勻化控制。
　　在前期研究的基礎(chǔ)上,分別采用常規(guī)和分級(jí)熱處理的RA

7、P法制備7075鋁合金半固態(tài)坯料,系統(tǒng)研究了復(fù)合加載-局部補(bǔ)縮技術(shù)對(duì)7075鋁合金觸變成形過(guò)程中力學(xué)條件的影響,以及不同補(bǔ)縮量對(duì)制件微觀組織和力學(xué)性能的影響;研究了適用于7075鋁合金觸變成形件的強(qiáng)化熱處理工藝。結(jié)果表明:采用分級(jí)熱處理RAP法制備的7075鋁合金半固態(tài)坯料,其觸變模鍛件的微觀組織相對(duì)于常規(guī)RAP法更為均勻,力學(xué)性能也相對(duì)更高。復(fù)合加載補(bǔ)縮量從1mm增加到5mm時(shí),制件法蘭區(qū)域的成形缺陷逐漸消失,抗拉強(qiáng)度增加幅度較小,屈

8、服強(qiáng)度甚至稍有下降,但延伸率增幅為97.4％;中心區(qū)域的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有小幅增加,延伸率卻小幅下降。通過(guò)采用復(fù)合加載-局部補(bǔ)縮形式,觸變模鍛件的成形缺陷得到抑制,且整體組織和力學(xué)性能的均勻化程度大幅提高。7075鋁合金觸變模鍛制件采用強(qiáng)化T6熱處理(465℃固溶℃2t→480固溶8t→淬火→125℃時(shí)效24t)后,制件的延伸率稍許降低,但屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯提升。
　　本論文通過(guò)高強(qiáng)變形鋁合金半固態(tài)坯料制備、半固態(tài)拉伸力學(xué)及